(57)【要約】 【課題】低価格な電力変換装置を実現する。【解決手段】複数の電力用半導体素子Ｕ〜Ｚと、複数の電力用半導体素子Ｕ〜Ｚを駆動するゲート駆動回路４と、ゲート駆動回路４へゲート信号を送信する無線伝送手段７と、無線伝送手段７と接続されゲート信号が入力される信号ケーブルと、複数の電力用半導体素子Ｕ〜Ｚと、ゲート駆動回路４と、無線伝送手段７と、を収容した筐体１７と、備え、筐体１７は、少なくとも無線伝送手段７において通信に用いられる信号を遮蔽する特性を備えている電力変換装置。【選択図】図１
2013128375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電力用半導体素子と、
前記複数の電力用半導体素子を駆動するゲート駆動回路と、
前記ゲート駆動回路へゲート信号を送信する無線伝送手段と、
前記無線伝送手段に接続された信号ケーブルと、
前記複数の電力用半導体素子と、前記ゲート駆動回路と、前記無線伝送手段と、を収容した筐体と、備え、
前記筐体は、少なくとも前記無線伝送手段において通信に用いられる信号を遮蔽する特性を備えている電力変換装置。
【請求項２】
前記信号ケーブルが接続され、ゲート信号を生成し前記ゲート信号の生成周期毎にゲート信号を符号化して、符号化したゲート信号を前記無線伝送手段へ出力する制御回路部を更に備え、
前記無線伝送手段は、前記符号化したゲート信号を受信する符号伝送受信回路と、符号化したゲート信号を復元するゲート信号復元回路と、復元されたゲート信号を前記ゲート駆動回路へ出力する無線送信回路と、を備える請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記無線伝送手段において通信に用いられる信号の周波数帯域は、前記電力用半導体素子のスイッチング周波数と重複しない請求項１または請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記無線伝送手段における通信が可視光を用いた信号によるものであり、
前記筐体は、可視光を遮蔽するように構成されている請求項１又は請求項２記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記無線伝送手段における通信が赤外線を用いた信号によるものであり、
前記筐体は、赤外線を遮蔽するように構成されている請求項１又は請求項２記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記筐体の電位は接地電位に固定され、
前記無線送信回路の筐体の電位も接地電位に固定される請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記ゲート駆動回路は、一定の時間を超えてゲート信号を受信しない場合に、前記無線送信回路に異常が生じたと判定する手段を備える請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電力から交流電力へ、また逆に交流電力から直流電力への変換を行う電力変換器では、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）等の電力用半導体素子と、それを駆動するゲート駆動回路を含む主回路部と、電力変換器を目的に応じて動作させるために、ゲート駆動回路に与えるゲート信号を生成する制御回路部とを備えている。主回路部と制御回路部の間は、ゲート信号を伝送するための信号ケーブルが電力用半導体素子数分だけ必要となる。
【０００３】
例えば、６個の電力用半導体素子を備える三相フルブリッジ回路の電力変換器の場合には、６本の信号ケーブルが必要である。また、電力変換器の出力電圧を高める方式として中性点クランプ方式の３レベル主回路構成があるが、この構成の場合には１２本の信号ケーブルが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２４３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
数百ボルト〜数千ボルトの高電圧が印加される電力変換器の主回路部と、いわゆる弱電回路である制御回路部は、一般的に距離を置いて配置されるため、ゲート信号を伝送するための信号ケーブルの全長が大きくなる場合があった。
【０００６】
また、信号ケーブルには、主回路部と制御回路部の電気的な絶縁を保つ目的で高価な光ファイバーケーブルが用いられる場合もある。その場合、全長の大きな光ファイバーケーブルが電力用半導体素子数分だけ必要となり、電力変換器の価格を押し上げることにつながっていた。
【０００７】
光ファイバーケーブルを用いない場合であっても、主回路部と制御回路部との間には何らかの電気的な絶縁を保つための回路部品が必要になり、その部品の費用により電力変換装置の価格が上昇することがあった。
【０００８】
一般的に、ゲート駆動回路の入力部にはフォトカプラ方式や絶縁トランス方式等の絶縁回路が用いられるが、主回路部に印加される電圧が高くなる場合には、絶縁回路にも耐圧の高い部品を選定する必要があり、やはり電力変換装置の価格を押し上げる要因となる。
【０００９】
さらに上記の絶縁手段を用いた場合でも、主回路部と制御回路部とを接続するケーブルには主回路部の電圧を考慮した耐圧のものを用いる必要があり、耐圧の高いケーブルは一般的に高価である。
【００１０】
本発明の実施形態は、上記事情を鑑みてなされたものであって、低価格な電力変換装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態によれば、複数の電力用半導体素子と、前記複数の電力用半導体素子を駆動するゲート駆動回路と、前記ゲート駆動回路へゲート信号を送信する無線伝送手段と、前記無線伝送手段に接続された信号ケーブルと、前記複数の電力用半導体素子と、前記ゲート駆動回路と、前記無線伝送手段と、を収容した筐体と、備え、前記筐体は、少なくとも前記無線伝送手段において通信に用いられる信号を遮蔽する特性を備えている電力変換装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、第１実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
【図２】図２は、図１に示す電力変換装置の無線送信回路の一構成例を概略的に示す図である。
【図３】図３は、図１に示す電力変換装置の無線送信手段の他の構成例を概略的に示す図である。
【図４】図４は、図１に示す電力変換装置のゲート駆動回路の一構成例を概略的に示す図である。
【図５】図５は、第２実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
【図６】図６は、図５に示す電力変換装置の制御回路部の一構成例を概略的に示す図である。
【図７】図７は、図５に示す電力変換装置の無線伝送手段の一構成例を概略的に示す図である。
【図８】図８は、図５に示す電力変換装置の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施形態の電力変換装置について、図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、第１実施形態の電力変換装置の一例を概略的に示す図である。  
本実施形態の電力変換装置は、三相フルブリッジ回路１と、ゲート駆動回路４と、無線伝送手段７と、制御回路部５と、信号ケーブル６Ａ〜６Ｆと、筐体１７と、を備えている。
【００１５】
三相フルブリッジ回路１は複数の電力用半導体素子Ｕ〜Ｚを備え、直流電源２から供給される直流電力を三相交流電圧に変換して出力する。電力用半導体素子Ｕと電力用半導体素子Ｘとは互いに直列に接続し、電力用半導体素子Ｕは直流電源２の高電圧側のラインと負荷３との接続を切替え、電力用半導体素子Ｘは直流電源２の低電圧側のラインと負荷３との接続を切替える。電力用半導体素子Ｖと電力用半導体素子Ｙとは互いに直列に接続し、電力用半導体素子Ｖは直流電源２の高電圧側のラインと負荷３との接続を切替え、電力用半導体素子Ｙは直流電源２の低電圧側のラインと負荷３との接続を切替える。電力用半導体素子Ｗと電力用半導体素子Ｚとは互いに直列に接続し、電力用半導体素子Ｗは直流電源２の高電圧側のラインと負荷３との接続を切替え、電力用半導体素子Ｚは直流電源２の低電圧側のラインと負荷３との接続を切替える。電力用半導体素子Ｕ〜Ｚは、例えばＩＧＢＴ等の電力用半導体素子であり後述するゲート駆動回路４から供給されるゲート駆動信号ＤＵ〜ＤＺにより接続状態が切替えられる。
【００１６】
ゲート駆動回路４は、無線伝送手段７から無線伝送信号を受信し、無線伝送信号からゲート信号ＳＵ〜ＳＺを復元してゲート信号ＳＵ〜ＳＺを増幅したゲート駆動信号ＤＵ〜ＤＺを各電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのゲートへ印加する。
【００１７】
無線伝送手段７は無線送信回路１４を備えている。無線伝送手段７の無線送信回路１４は、信号ケーブル６Ａ〜６Ｆにより制御回路部５と接続されている。信号ケーブル６Ａ〜６Ｆには制御回路部５からゲート信号ＳＵ〜ＳＺが夫々出力される。
【００１８】
制御回路部５は、一定周期でゲート信号ＳＵ〜ＳＺを生成して信号ケーブル６Ａ〜６Ｆへ出力する。本実施形態では、ゲート信号ＳＵ〜ＳＺの生成は、例えば三角波キャリア比較ＰＷＭ制御方式によって行われる。
【００１９】
筐体１７は、三相フルブリッジ回路１と、ゲート駆動回路４と、無線伝送手段７とを収容している。なお、筐体１７は、電波を遮蔽する特性を有している。筐体１７によって遮蔽される電波は少なくとも無線伝送手段７の通信に用いられる信号を含むものであって、電波により通信を行う無線伝送手段７が、外部から妨害されることを回避し、また外部に対しても影響を与えることを防止している。
【００２０】
また、筐体１７の電位が接地電位に固定され、かつ無線伝送手段７の筐体の電位も接地電位に固定されている。このことにより、制御回路部５と無線伝送手段７とを接続する信号ケーブル６の被覆電位も接地電位に固定されることになり、信号ケーブル６および制御回路部５を取り扱う人身への安全性を高めることが可能となる。
【００２１】
図２は、無線伝送手段７の一構成例を概略的に示す図である。無線送信回路１４は、ゲート信号ＳＵ〜ＳＺのそれぞれが入力されるシングルキャリア変調器１５を備えている。すなわち、無線送信回路１４はゲート信号ＳＵ〜ＳＺの数分のシングルキャリア変調器１５を備えている。シングルキャリア変調器１５は、受信したゲート信号ＳＵ〜ＳＺを振幅キャリア変調方式等により変調した無線伝送信号を、所定の無線通信方式に従ってゲート駆動回路４へ出力する。
【００２２】
図３は、無線伝送手段７の他の構成例を概略的に示す図である。この例では、無線送信回路１４はゲート信号ＳＵ〜ＳＺの全部が入力されるマルチキャリア変調器１６を備えている。マルチキャリア変調器１６は、受信したゲート信号ＳＵ〜ＳＺを振幅キャリア変調方式等により変調してゲート駆動回路４へ出力する。ゲート信号はオン又はオフの２値信号であるので、各ゲート信号に対応する無線伝送信号も２値信号として伝送することが可能である。このように２値信号であることを利用して、シリアル方式のデジタル無線伝送を行うことも可能である。
【００２３】
なお、無線伝送手段７の無線送信回路１４において通信に用いる信号の周波数帯域は、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのスイッチング周波数と重複しないように選択されている。無線送信回路１４が通信に用いる信号の周波数帯域と、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのスイッチング周波数とは、少なくとも１桁異なっていることが望ましい。このことにより、筐体１７内に発生する電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのスイッチング周波数に起因する電磁波が、無線送信回路１４の通信に影響を与えることを防止することができる。
【００２４】
また、無線送信回路１４の通信は可視光を用いた信号によるものであってもよい。この場合、筐体１７が可視光を遮蔽する特性を有するものである。このことにより、無線送信回路１４における可視光による無線伝送が外部からの妨害を受けず、また外部に対しても影響を与えることを防止することができる。
【００２５】
また、無線送信回路１４の通信は赤外線を用いた信号によるものであってもよい。この場合、筐体１７は赤外線を遮蔽する特性を有するものである。このことにより、無線送信回路１４における赤外線による無線伝送が外部からの妨害を受けず、また外部に対しても影響を与えることを防止することができる。
【００２６】
図４は、ゲート駆動回路４の一構成例を概略的に示す図である。ゲート駆動回路４は、無線受信回路４Ａと、ゲート駆動信号増幅回路４Ｂとを備えている。
【００２７】
無線受信回路４Ａは、パラレル方式あるいはシリアル方式の無線伝送信号を受信し、無線伝送信号からゲート信号ＳＵ〜ＳＺを復元する。復元されたゲート信号ＳＵ〜ＳＺはゲート駆動信号増幅回路４Ｂに入力される。ゲート駆動信号増幅回路４Ｂは、論理回路の信号レベルのゲート信号ＳＵ〜ＳＺを、電力用半導体素子を駆動可能な電気回路の信号レベルのゲート駆動信号ＤＵ〜ＤＺへ増幅し、それぞれ対応する電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのゲートへ印加される。
【００２８】
なお、ゲート駆動回路４は、ある一定の時間を超えてゲート信号ＳＵ〜ＳＺが受信されなかった場合に、無線送信回路１４に異常が生じたと判定する手段を備えている。無線送信回路１４に異常が生じたと判定した場合には、ゲート駆動回路４は例えば電力用半導体素子Ｕ〜Ｚを全てオフして負荷３への電力供給を停止する。このことにより、無線送信回路１４の故障を検知することが可能となり、電力変換装置としての信頼性を高めることが可能となる。
【００２９】
上記のように、本実施形態の電力変換装置によれば、制御回路部５からゲート駆動回路４へゲート信号を伝送する経路を部分的に無線化することで、制御回路部５と主回路部との電気的な絶縁を確保できる。したがって、制御回路部に接続した信号ケーブルに耐圧の低いものを用いることが可能となるとともに、ゲート駆動回路の前段に絶縁回路を設ける必要がなくなる。その結果、本実施形態によれば、低価格な電力変換装置を実現することができる。
【００３０】
さらに、本実施形態の電力変換装置では、無線により通信が行われる範囲が、主回路盤内という閉鎖空間かつ主回路の近距離範囲に限定されているため、通信に対するノイズの影響を抑制することができる。
【００３１】
次に、第２実施形態の電力変換装置について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において上述の第１実施形態の電力変換装置と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００３２】
図５に本実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す。本実施形態の電力変換装置は、三相フルブリッジ回路１と、ゲート駆動回路４と、無線伝送手段７と、制御回路部５と、信号ケーブル６と、筐体１７と、を備えている。
【００３３】
図６は、図５に示す電力変換装置の制御回路部５の一構成例を概略的に示すブロック図である。制御回路部５は、ゲート信号生成回路８と、符号化回路９と、符号伝送送信回路１０と、を備えている。
【００３４】
ゲート信号生成回路８は、一定周期毎にゲート信号ＳＵ〜ＳＺを生成して符号化回路９へ出力する。本実施形態では、ゲート信号ＳＵ〜ＳＺは例えば三角波キャリア比較ＰＷＭ制御方式により生成されるが、ある一定周期毎に１組のゲート信号ＳＵ〜ＳＺを生成するものであればその手法は限定されない。
【００３５】
符号化回路９は、受信したゲート信号ＳＵ〜ＳＺを符号化した符号化ゲート信号を、ゲート信号の生成周期毎に符号伝送送信回路１０へ送信する。ゲート信号ＳＵ〜ＳＺは対応する電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのオン又はオフの状態を決めるものであり、例えば、それぞれオン状態が１、オフ状態が０の２値として表すことが可能である。例えば、ある周期における１組のゲート信号ＳＵ〜ＳＺの状態が、ＳＵ＝１、ＳＸ＝０、ＳＶ＝１、ＳＹ＝０、ＳＷ＝０、ＳＺ＝１である場合、符号化ゲート信号として、２進数で「１０１００１」と符号化することができる。
【００３６】
上記は、２値のゲート信号をＳＵ、ＳＸ、ＳＶ、ＳＹ、ＳＷ、ＳＺの順番に並べて６ビットで符号化した一例である。なお、この符号化ゲート信号に誤り訂正符号等を付加してもよい。符号化の方式は、ゲート信号生成周期毎に符号化ゲート信号を生成するものであれば上記方式に限定されるものではない。
【００３７】
符号伝送送信回路１０は、受信した符号化ゲート信号を、ゲート信号ＳＵ〜ＳＺの生成周期毎に符号伝送信号として信号ケーブル６へ出力する。
【００３８】
図７は、図５に示す電力変換装置の無線伝送手段７の一構成例を概略的に示すブロック図である。無線伝送手段７は、符号伝送受信回路１１と、ゲート信号復元回路１２と、無線送信回路１４と、を備えている。
【００３９】
符号伝送受信回路１１は、ゲート信号の生成周期毎に信号ケーブル６から符号伝送信号を受信する。符号伝送受信回路１１は、送信側に対応する符号伝送方式に従って、符号伝送信号を符号化ゲート信号に変換してゲート信号復元回路１２へ出力する。
【００４０】
ゲート信号復元回路１２は、受信した符号化ゲート信号を、符号化回路９での符号化方式に対応してゲート信号ＳＵ〜ＳＺに復元し、無線送信回路１４へ出力する。例えば、２進数の符号化ゲート信号「１０１００１」を受信した場合には、ゲート信号としてＳＵ＝１、ＳＸ＝０、ＳＶ＝１、ＳＹ＝０、ＳＷ＝０、ＳＺ＝１を復元して、無線送信回路１４へ出力する。
【００４１】
無線送信回路１４は、受信したゲート信号ＳＵ〜ＳＺを、所定の無線通信方式に対応した無線伝送信号に変換し、ゲート駆動回路４へ送信する。  
なお、上記無線伝送手段７の各構成において通信に用いられる信号の周波数帯域は、電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのスイッチング周波数と重複しないように選択されている。このことにより、筐体１７内に発生する電力用半導体素子Ｕ〜Ｚのスイッチング周波数に起因する電磁波が、無線伝送手段７の通信に影響を与えることを防止することができる。
【００４２】
本実施形態の上記の構成以外は上述の第１実施形態の電力変換装置と同様である。
【００４３】
図８は、本実施形態の電力変換装置の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【００４４】
図８に示すように、各ゲート信号生成周期Ｔにおいて、ゲート信号生成、ゲート信号符号化、符号伝送信号の送受信、および、ゲート信号の復元が順次行われ、ゲート信号生成周期Ｔ毎にゲート駆動信号が更新される。すなわち、各ゲート信号生成周期Ｔにおいて電力用半導体素子Ｕ〜Ｚの接続状態が切り替えられている。
【００４５】
なお、ゲート信号生成からゲート駆動信号の更新まで、最短でもゲート信号生成周期Ｔだけの遅れ時間が生じるが、ゲート信号生成周期Ｔを適切に設計することにより、電力変換器の性能には影響を与えることはない。
【００４６】
上記のように、本実施形態によれば、制御回路部５がある一定周期毎に生成するゲート信号を、単一の信号ケーブル６により無線伝送手段７へ伝送することが可能となる。結果として、本実施形態によれば、第１実施形態と同様を得ることができるとともに、制御回路部５と無線伝送手段７とを接続する信号ケーブル６の本数を最小化することが可能となり、より低価格な電力変換装置を実現できる。
【００４７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４８】
Ｕ〜Ｚ…電力用半導体素子、Ｔ…ゲート信号生成周期、１…三相フルブリッジ回路、２…直流電源、３…負荷、４…ゲート駆動回路、５…制御回路部、６、６Ａ〜６Ｆ…信号ケーブル、７…無線伝送手段、８…ゲート信号生成回路、９…符号化回路、１０…符号伝送送信回路、１１…符号伝送受信回路、４Ａ…無線受信回路、４Ｂ…ゲート駆動信号増幅回路、１２…ゲート信号復元回路、１４…無線送信回路、１５…シングルキャリア変調器、１６…マルチキャリア変調器、１７…筐体。
【図１】
2013128375.tif 000003
【図２】
2013128375.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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